基于GIS的天津市濱海新區耕地適宜性評價

劉軍， 詹然， 孫蔚

(天津市渤海城市規劃設計研究院，天津　300451)

?

基于GIS的天津市濱海新區耕地適宜性評價

劉軍， 詹然， 孫蔚

(天津市渤海城市規劃設計研究院，天津300451)

摘要：耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，耕地適宜性評價是耕地合理利用的重要基礎，可為耕地的利用和管理提供科學依據。以天津市濱海新區為研究對象，以耕地適宜性評價理論為基礎，運用遙感和GIS確定評價單元，結合濱海新區具體情況和數據的可獲取性，選取土壤、地質及灌溉等3類共5個評價因子，構建指標評價體系，借助GIS和加權指數求和評價模型進行綜合評價，將耕地適宜性評價結果劃分了4個等級。評價結果表明： 1—4級分別占評價單元總面積的5.65%，27.25%，44.42%和22.68%，全區耕地質量不容樂觀； 全區高度適宜耕種地區分布在太平鎮、小王莊鎮、中塘鎮、空港經濟區南部、胡家園街、新城鎮、茶淀鎮、大田鎮、河西街和楊家泊鎮一帶； 根據評價結果，對各級用地分別提出建議，對提高濱海新區整體耕地質量，實現耕地合理有效利用具有實用意義。

關鍵詞：GIS； 適宜性評價； 耕地； 天津濱海新區

0引言

隨著我國城市化進程加速，建設用地占用了大量耕地。我國人均耕地較少，且存在耕地污染嚴重，耕地后備資源嚴重不足，耕地利用率低等問題[1]。我國耕地僅占世界10%，人口卻占世界的22%，面對日益嚴峻的氣候危機、環境污染、土地退化而帶來的糧食減產，糧食安全一直是國家的頭等大事。

土地適宜性評價是針對土地在一定的用途條件下，鑒定土地對該用途的適宜性的過程[2]。為了更加高效、科學、合理地利用耕地，國內對耕地適宜性評價方法做了大量的科學研究，近年來基于GIS的耕地適宜性評價受到了廣泛的關注。楊子生應用已建立的土壤流失方程進行了滇東北山區基于可持續利用的耕地適宜性評價，將山區耕地適宜性分為5個等級[3]； 周慧娟等利用GIS技術對北京密云進行了耕地適宜性評價，深入分析了4種主要農作物在空間位置的配比[4]； 趙在友對重慶市云陽縣進行耕地適宜性評價，根據研究結果提出了提高全縣耕地利用率的合理建議[5]； 柯新利等采用層次分析法(analytichierarchyprocess,AHP)確定指標權重，在柵格尺度上對湖北省開展了耕地適宜性評價[6]。雖然基于GIS耕地適宜性評價的研究已經持續了很多年，并取得了很大的進展，但是有的研究將城鎮和水體等都列入了評價范圍，用土地指標如土壤質地等去評價城鎮、水體不太妥當。

本文以天津濱海新區為研究對象，剔除水體和城鎮、村落及大型工礦企業占用地等建設用地后確定評價單元，選取影響耕地適宜性的評價因子，通過層次分析法確定權重并構建指標評價體系。最后基于GIS通過指標加權求和將各個指標進行疊加分析，得出耕地適宜性評價結果。

1研究區概況及數據源

天津市濱海新區地處華北平原北部，海河流域下游，市中心區東部的環渤海灣中心地段，東臨渤海，西與東麗區接壤，北與天津市寧河縣、河北省豐南縣為鄰，距北京140km，下轄27個街鎮，地理坐標為W38°40′～39°00′，E117°20′～118°00′，區境南北長，東西窄，呈彎弓狀，天津港坐落其間。該區地處東北亞經濟中心地帶，輻射中國“三北”(東北、華北、西北)地區[7]，是亞歐大陸橋的東起點之一。

天津濱海新區耕地資源相對豐富，耕地面積占496km2(基本農田390km2，一般耕地106km2)[8]。然而土壤鹽堿化嚴重，鹽漬化土壤面積約占濱海新區總面積的86.3%[9]。加之近年來城鎮化發展迅速，建設用地占用了大量耕地以及土壤污染加劇，導致耕地面積減少，耕地質量降低，耕地資源受到嚴重威脅。

選用的遙感影像為天津市濱海新區2009年8月30日獲取的TM影像。圖1是經TM影像R(3)G(2)B(1)波段合成的模擬真彩色圖像，空間分辨率為30m。

圖1　研究區位置

2研究方法

2.1技術路線

本文具體的技術路線如圖2所示。首先，將城鎮、村落、大型工礦企業等建筑用地和水體、沿海灘涂等剔除，確定評價單元；之后，結合研究區的具體情況和數據的可獲取性選取影響耕地適宜性的評價因子，確定等級和分值，并運用層次分析法確定各個評價因子的權重； 最后，基于GIS技術將各個參評因子進行疊加運算，并根據得到的總分值進行重分類，得到耕地適宜性評價結果。

圖2　耕地適宜性評價技術路線

2.2確定評價單元

本文通過TM影像，基于歸一化建筑指數(normalizeddifferencebuild-upindex，NDBI)[10]，自動判別出城鎮、村落及大新工礦企業等建設用地，結合模擬真彩色圖像目視解譯，將自動判別的結果進行規整。剔除得到的建設用地和現有的水體、沿海灘涂等，得到的評價單元(均為耕地分布區)，如圖3所示； 建設用地、灘涂、水體及評價單元等各類地塊的面積統計見表 1。

地表類型建設用地水體灘涂評價單元面積/km2505.05636.55148.071394.77面積比/%18.8123.715.5251.96

2.3選取評價因子

選取評價因子需要根據影響耕地適宜性的各種自然因素和社會因素，綜合土壤、地貌、灌溉條件等各個方面來確定。影響研究區耕地適宜性的因子很多，不可能也沒有必要選取所有評價因子。根據研究區的具體情況，遵循評價因子的差異性、主導性、相互獨立性以及綜合性等原則[9]，經過比較分析，確定評價因子為坡度、土壤質地、土壤鹽漬化程度、土壤有機質含量、土壤土體構成和灌溉條件等6個影響因子。由于濱海新區地處華北平原，地勢平坦，坡度基本在2°以內，因此可忽略坡度對耕地適宜性的影響。本文所采用的是研究區的土壤數據、地質數據和農田溝渠數據，其中土壤數據中的土壤質地和地質數據中的土體構成均來自聯合國農組織(FoodandAgricultureOrganization，FAO)2003年土壤更新數據，土壤有機質含量和土壤鹽漬化數據均來自全國第二次土壤普查數據； 溝渠數據來自天津市渤海城市規劃設計研究院地名系統基礎數據中的溝渠要素空間數據。以上數據均生成評價單元內連續分布的柵格數據。

2.4構建評價指標體系

根據FAO1976年的《土地評價綱要》的規定，將耕地的適宜性級別劃分為高度適宜(1級)、中度適宜(2級)、勉強適宜(3級)和不適宜(4級)等4個級別[11]，各個因子按照這4個等級分別打4分、3分、2分和1分。AHP確定權重法是通過因子之間的成對比較，生成一個比例矩陣，再依次計算出因子權重。其優點在于通過構建因子間的判斷矩陣推斷出各個因子間的相對重要性，充分考慮了因子間的相互關系，而不是孤立、主觀地賦值[12]。本文采用AHP法，通過確定指標相對重要性得出評價因子的判斷矩陣，經過一致性檢驗后確定各個因子的權重。構建的評價指標體系如表2。

表2　耕地適宜性評價指標體系

2.5建立適宜性評價模型

依據天津市濱海新區的實際情況，選取了土壤、地質及排灌等3個方面的土壤質地、土壤有機質含量、土壤鹽漬化程度、土壤土體構成、溝渠密度共5個評價因子。同時，基于層次分析法確定了各個評價因子的權重，并分別分級、賦值，科學客觀地構建了評價指標體系。在此基礎上，為了將各個評價因子疊加分析，本文采用加權指數法構建了天津市濱海新區耕地適宜性評價模型，即

(1)

式中: P為評價單元綜合的分值; wi為評價因子權重; pi為評價因子分值; i為評價因子編號; n為評價因子總數，本文n=5。按照上述方法計算所有評估因子的加權指數和，根據得到的總分值大小來確定各評價單元的適宜性等級。

3評價結果與分析

基于上述評價方法，根據評價因子對耕地適宜性影響的程度，將單因子評價結果按照表2進行分級并賦值，每個因子的評價結果如圖 4。

(a) 土體構成 (b) 鹽漬化程度

圖4-1單因子分析結果

Fig.4-1Resultsofthesingleindexanalysis

(c) 有機質含量(d) 土壤質地(e) 溝渠密度

圖4-2單因子分析結果

Fig.4-2Resultsofthesingleindexanalysis

將單因子評價結果依據評價模型進行疊加分析，得到評價單元耕地適宜性分值。對得到的耕地適宜性分值按照從低到高等間隔加上限制性閾值后進行重分類，并劃分為高度適宜、中度適宜、勉強適宜和不適宜4個等級，最后得到研究區農用地適宜性評價結果如圖 5，評價結果面積統計見表3。

圖5　天津市濱海新區耕地適宜性評價結果

適宜性等級高度適宜中度適宜勉強適宜不適宜綜合分值≥3.09[2.59,3.09)[2.10,2.59)[1.6,2.10)面積/km278.85380.06619.58316.28面積比/%5.6527.2544.4222.68

表3中的評價結果表明，濱海新區土地耕種適宜性比較差。

從評價結果分布格局(圖 5)來看，最適宜耕種的土地主要分布在濱海新區最南部地區的太平鎮、小王莊鎮和中塘鎮，中西部地區的空港經濟區南部、胡家園街和新城鎮，西北部地區的括茶淀鎮、大田鎮、河西街和北部地區的楊家泊鎮等地段。這些地區土體構成較好，鹽漬化程度低，灌溉條件好，土壤質地較適宜農作物的生長。中度適宜區域分布和高度適宜區域相同，但是面積比高度適宜區域大。高度適宜區域零星分布在中度適宜區域內。勉強適宜區域主要分布在東北部地區的楊家泊鎮、寨上街，中部地區的空港經濟區、北塘鎮、新河街、大沽街、吉林街、勝利街、北大港水庫和西南部地區的中塘鎮、小王莊鎮、太平鎮、港西街及海濱街等地段。這些地區雖然土體構成較好，但是土壤質地一般，鹽漬化程度嚴重，有機質含量較低，灌溉條件較差，只能勉強適宜農作物的生長。不適宜區域主要分布在濱海新區沿海地區的吉林街、大沽街、北塘街和寨上街和中部地區的大沽街和北大港水庫周圍地段。這些地區雖然土體構成較好，但是土地限制的因素很多，如鹽漬化程度嚴重、灌溉條件差、土壤質地適宜性一般、有機質含量較低等，這些都導致農作物很難在這些地區生長。

為了切實加強耕地保護和土地的合理利用，最大程度上改造中度適宜區域和勉強適宜區域，綜合提高耕地的生產能力，結合以上的評價結果，分別對各個適宜等級地區的耕地利用和保護提出建議：

1)高度適宜區。切實加強保護耕地，避免建設用地占用耕地，防止土地污染。

2)中度適宜區。該區分布與高度適宜基本相同，但分布面積要更廣泛，其適宜性下降主要是因為土壤鹽漬化程度高以及排灌條件低。因此加強農田基本建設，通過興修水利和其他配套設施，提高灌溉條件。采用物理和化學措施，改善土壤結構，加強土壤滲透性，減少鹽漬化污染。

3)勉強適宜區。勉強適宜區域面積最大，占評價單元的44.42%，且分布廣泛。這些地區適宜性的限制性因素包括： 鹽漬化程度高、有機質含量低、灌溉條件差等。因此需要長期堅持并加大土壤整治力度： 合理施肥，改善土壤結構，提高土壤肥力，改良鹽漬化土地。興修水利，建立完善的農田灌溉排水系統。除此之外，還應加大土地整理復墾力度，通過農村居民點整理復耕和歸并零散農田。

4)不適宜區。對于土壤污染嚴重以及其他因素限制而不適宜耕種的土地應實施退耕還林還草，防止水土流失，改善生態環境，提高土地的生態服務價值。

4結論和討論

1)耕地是人類賴以生存的基本資源和條件，耕地適宜性評價是耕地合理利用的重要基礎，為耕地的利用和管理提供科學依據。本文運用GIS手段評價天津濱海新區耕地適宜性，通過確定評價單元、選取評價因子、構建評價指標體系并運用評價模型對各個因子進行疊加分析，得到了天津市濱海新區耕地適宜性綜合評價結果。

2)本文在前人的基礎上，通過遙感方法，剔除了水體和建設用地后確定評價單元。尤其對于像天津濱海新區這種比較發達且水體分布廣泛的城市，評價單元的確定顯得尤為重要。結果表明： 評價單元中僅有5.65%的土地高度適宜耕種。天津濱海新區位于環渤海地區的中心位置，內陸廣闊，土地資源相對豐富。但是，由于土地鹽漬化嚴重，在加上因工業發展帶來的有機污染和重金屬污染，耕地質量下降，農作物減產問題突出。

3)本文采用AHP方法確定指標權重，而AHP方法需要依靠專家對各個指標的相對重要性進行打分，具有一定主觀性。在今后工作中需要優化指標權重確定的方法，使指標權重的確定更加科學客觀。

參考文獻(References)：

[1]莫福華.如何加強我國耕地資源保護的有效對策[J].大科技,2014(24):373-374.

MoFH.TheeffectivecountermeasuresofhowtostrengthencultivatedlandprotectioninChina[J].SuperScience,2014(24):373-374.

[2]李穎,施昆,羅文生,等.基于GIS的瓊海市胡椒土地適宜性評價[J].江西農業學報,2014,26(7):124-127.

LiY,ShiK,LuoWS,etal.EvaluationofsoilsuitabilityforpepperplantinginQionghaiCitybasedonGIS[J].ActaAgriculturaeJiangxi,2014,26(7):124-127.

[3]楊子生.土壤流失方程在山區耕地可持續利用適宜性評價與土地利用規劃中的應用[J].山地學報,1999,17(s1):36-44.

YangZS.TheapplicationofsoillossequationincultivatedlandsuitabilityevaluationbasedonsustainableuseandlanduseplanninginthenortheastmountainregionofYunnanProvince[J].JournalofMountainScience,1999,17(s1):36-44.

[4]周慧娟,劉慧平.GIS支持下的密云縣耕地適宜性評價[C]//中國地理信息系統協會.中國地理信息系統協會2001年年會論文集.北京:科學出版社,2001:337-342.

ZhouHJ,LiuHP.CultivatedlandsuitabilityevaluationinMiyuncountysupportedbyGIS[C]//GeographicInformationSystemAssociation.ProceedingsofGeographicInformationSystemAssociationAnnalConference.Beijing:SciencePress,2001:337-342.

[5]趙在友,涂建軍,柳蛟,等.基于GIS的喀斯特地區耕地適宜性評價——以重慶市云陽縣為例[J].農機化研究,2010,32(1):10-12,17.

ZhaoZY,TuJJ,LiuJ,etal.GISbasedontheKarstareaofcultivatedlandsuitabilityevaluationinordertoYunyangCountyofChongqingasanexample[J].JournalofAgriculturalMechanizationResearch,2010,32(1):10-12,17.

[6]柯新利,榮庚午,韓冰華.基于AHP和GIS的湖北省耕地適宜性評價[J].國土與自然資源研究,2011(4):35-38.

KeXL,RongGW,HanBH.SuitableevaluationoncultivatedlandbasedonAHPandGISinHubeiProvince[J].Territory&NaturalResourcesStudy,2011(4):35-38.

[7]天津市地方志編修委員會辦公室.天津區縣年鑒2012[M].天津:天津社會科學院出版社,2012:105-106.

TianjinLocalChroniclesEditingCommitteeOffice.TianjinAreaCountyAnnals2012[M].Tianjin:TianjinAcademyofSocialSciencesPublishingHouse,2012:105-106.

[8]毛建華,沈偉然.天津濱海新區土壤鹽堿與污染狀況及土地利用的思考[J].天津農業科學,2005,11(4):15-17.

MaoJH,ShenWR.ReflectionofsoilsalinationpollutionresearchandlanduseofBinhaiAreainTianjin[J].TianjinAgriculturalSciences,2005,11(4):15-17.

[9]崔靜.天津市濱海新區土壤污染狀況及防治措施初探[C]//2011中國環境科學學會學術年會論文集(第二卷).北京:中國環境科學出版社,2011:1589-1592.

CuiJ.SoilpollutionsituationandinitiallysearchofpreventivemeasuresinTianjinBinhaiNewArea[C]//InproceedingsofChineseSocietyforEnvironmentSciencesAcademicAnnualConference.Beijing:ChinaEnvironmentalSciencePress,2011:1589-1592.

[10]查勇,倪紹祥,楊山.一種利用TM圖像自動提取城鎮用地信息的有效方法[J].遙感學報,2003,7(1):37-40.

ZhaY,NiSX,YangS.Aneffectiveapproachtoautomaticallyextracturbanland-usefromTMimagery[J].JournalofRemoteSensing,2003,7(1):37-40.

[11]張成剛,王衛.基于GIS/RS的冀北地區農用地適宜性評價[J].安徽農業科學,2006,34(16):3911-3913.

ZhangCG,WangW.Evaluationofthesuitabilityofagriculturalland-usingbasedonthemethodofGIS/RS[J].JournalofAnhuiAgriculturalSciences,2006,34(16):3911-3913.

[12]馮乃琦,劉超,朱立杰.應用層次分析法確定土地復墾適宜性評價指標權重——以登封市某鋁土礦礦山土地復墾為例[J].資源導刊:地球科技版,2014(10):29-31.

FengNQ,LiuC,ZhuLJ.ApplicationresearchofAHPintheweightsoflandsuitabilityevaluationindex:Acasestudyonabauxitemine-landreclamationinDengfengCity[J].ResourcesGuide:EarthScienceandTechnology,2014(10):29-31.

(責任編輯： 李瑜)

Evaluation of cultivated land suitability for Binhai NewAreaofTianjinbasedonGIS

LIU Jun, ZHAN Ran, SUN Wei

(Tianjin Bohai Urban Planning & Desingn Institute, Tianjin 300451， China)

Abstract:Cultivatedlandisanessentialresourceandconditionforthesurvivalofhumanbeings.Evaluationofcultivatedlandsuitabilityisthebasisofthelandreasonableutilizationandcanprovidethescientificbasisforutilizationandmanagementofcultivatedland.TakingTianjinBinhaiNewAreaasthestudyobjectandbasedonthetheoryofcultivatedlandsuitability,theauthorsconfirmedtheevaluationunitwithcombinationsofGISandRS. 5evaluationfactorswereselectedincludingsoilgeologyandirrigationtobuilduptheevaluationsystemwithcombinationsofspecificsituationsofBinhaiXinAreaandtheavailabilityofdata.ThentheresultsofcultivatedlandsuitabilityweredividedintofourlevelsbasedonGISandweightedindexsummationmodel.Theresultshowedthateachlevelaccountedfor5.65%, 27.25%, 44.42%, 22.68%ofthetotalevaluationunitarearespectivelyfromlevelⅠtolevelⅣ.Thewholequalityofcultivatedlandisnotverygood.ThehighlysuitableregionsaremainlydistributedinTaipingTown,XiaowangzhuangTown,ZhongtangTown,northofAirportEconomicZone,HujiayuanStreet,XinchengTown,ChadianTown,DatianTown,HexinStreetandYangjiaboTown.Theauthorsputforwardsomeadvicesforeachlevellandofevaluationresultbasedontheresultsofeachindexevaluation,whichareveryimportantforimprovingcultivatedlandqualityofthewholeBinhaiNewAreaandusinglandreasonablyandavailably.

Keywords:GIS;suitabilityevaluation;cultivatedland;TianjinBinhaiNewArea

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.25

收稿日期：2015-02-13；

修訂日期：2015-05-08

中圖法分類號：P208

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)03-0160-06

第一作者簡介：劉軍(1987-)，男，碩士，研究方向為微波遙感和土地利用。Email:liujun198707@126.com。

引用格式： 劉軍,詹然,孫蔚.基于GIS的天津市濱海新區耕地適宜性評價[J].國土資源遙感,2016,28(3):160-165.(LiuJ,ZhanR,SunW.EvaluationofcultivatedlandsuitabilityforBinhaiNewAreaofTianjinbasedonGIS[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):160-165.)